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Ingeniería quimica

Para hacer degustaciones virtuales

Embrapa desarrolla una lengua electrónica para efectuar el control de la calidad en la producción de bebidas y detectar la contaminación por herbicidas en el agua

eduardo cesarEl equipo analiza el agua contaminada por herbicidas usados en plantacioneseduardo cesar

Investigadores de Embrapa Instrumentación Agropecuaria han creado un dispositivo más sensible que la lengua humana para la degustación y el análisis de bebidas. Denominado lengua electrónica, el equipo está dotado de seis sensores que desempeñan una función semejante a la de las papilas gustativas, pero que son más eficientes. La lengua electrónica no solamente es capaz de identificar un legítimo vino tinto Cabernet Sauvignon, sino que también consigue detectar diferencias casi imperceptibles al paladar humano, como las existentes entre las variadas marcas de agua mineral. El invento, ya patentado por Embrapa y la FAPESP, se encuentra en fase de finalización para su uso industrial y estará disponible en el mercado dentro de tres años.

El potencial de aplicación del mismo es enorme. El equipo puede ayudar en el control ambiental, controlando los niveles de contaminación por metales pesados y pesticidas en ríos y manantiales, y en el saneamiento básico, controlando la calidad del agua en las estaciones de tratamiento. En la industria alimenticia, la lengua electrónica puede aumentar el rigor del control de calidad en la fabricación de bebidas, a través del control continuo. Por ahora, el equipo está apto para operar con vinos, café y agua mineral, pero los investigadores ya están desarrollando sensores para analizar leche y jugos de uva y de naranja. En la industria farmacéutica, la lengua electrónica puede ser usada para pruebas de medicamentos y para mejorar el sabor de los remedios amargos.

De acuerdo con la literatura sobre el tema, ésta es la primera lengua electrónica del mundo a partir de polímeros conductores. Resultado de seis años de un trabajo multidisciplinario que implicó el apoyo de físicos e ingenieros de materiales, mecánicos, electrónicos y eléctricos de la Embrapa de São Carlos, el proyecto, coordinado por el investigador Luiz Henrique Capparelli Mattoso, también contó con alianzas importantes -el Instituto de Física y el Instituto de Ciencias Matemáticas y de Computación de la Universidad de São Paulo (USP), en São Carlos, la Escuela Politécnica de la USP, Embrapa Uva y Vino de Bento Gonçalves (Río Grande do Sul), y el Instituto deTecnología de Alimentos (Ital), de Campinas. Asimismo, fue acompañado por un ilustre colaborador, el neocelandés naturalizado estadounidense Alan MacDiarmid, profesor de la Universidad de Pennsylvania, ganador del Premio Nobel de Química en el 2000, junto con el japonés Hideki Shirakawa y el estadounidense Alan Heeger.

En noviembre del año pasado, la lengua electrónica recibió uno de los más importantes galardones del país en el área de desarrollo científico y tecnológico -el Premio Gobernador del Estado, concedido por el Servicio Estadual de Asistencia a los Inventores (Sedai), de la Secretaría de Ciencia, Tecnología y Desarrollo Económico de São Paulo, en la categoría Invento Brasileño.

Alta sensibilidad
La lengua electrónica funciona de manera muy similar a la humana. Es capaz de reconocer sabores dulces, salados, el agrios y amargos. La diferencia es que consigue medir concentraciones muy por debajo del límite de detección biológico. Para el paladar humano, solo es posible identificar una bebida dulce si la concentración de azúcar es superior a 685 miligramos (mg) para un vaso (de 200 mililitros) de agua. En tanto, la lengua electrónica consigue detectar hasta 342 mg de azúcar en la misma cantidad de agua. Para el sabor salado, la lengua electrónica detecta hasta 58 mg de sal en un vaso de agua, mientras que la humana necesita como mínimo 117 mg.

El secreto está en los seis sensores que componen el dispositivo. Éstos están formados por microelectrodos revestidos con una capa ultrafina de polímeros conductores (plásticos que conducen electricidad), que tienen en su composición sustancias presentes en la saliva humana, como los lípidos. Cuando es sumergido en una bebida, el compuesto polimérico interactúa con las sustancias presentes en el líquido y provoca una respuesta eléctrica específica para cada sustancia, que es captada por el electrodo y enviada a una computadora. Las señales recibidas desde los electrodos son interpretadas y convertidas en un gráfico, una especie de firma digital de la bebida.

La lengua electrónica es el resultado de varias investigaciones que permitieron sintetizar polímeros conductores agregados con sustancias capaces de hacerlos sensibles a sabores específicos. Las polianilinas, por ejemplo, son polímeros que interactúan con sustancias ácidas presentes en la bebida y permiten detectar el sabor agrio. Esta tecnología, desarrollada por el químico Alan MacDiarmid, llegó a Embrapa a través Mattoso, como parte de su doctorado en Estados Unidos, bajo la supervisión directa del padre de en este área. En Embrapa ya se han estudiado alrededor de 40 compuestos poliméricos, específicos para detectar varios patrones de paladar.

Los sensores a partir de polímeros conductores también son capaces de medir la concentración de minerales presentes en el agua. Con ello, la lengua electrónica consigue diferenciar perfectamente el agua de la canilla del agua mineral o ultrapura (desionizada y destilada), al margen de detectar la contaminación por metales pesados, como plomo, cromo y otros metales tóxicos.

Películas ultrafinas
El reto en este momento es desarrollar sensores para detectar contaminación por pesticidas en ríos y manantiales. Las bases para asumir ese nuevo desafío fueron construidas en un proyecto anterior a la lengua digital. Coordinado por el investigador Carlos Vaz, también de Embrapa, dicho proyecto permitió el desarrollo de un equipo para la detección de dos herbicidas ampliamente utilizados en el cultivo de caña de azúcar y soja para combatir el crecimiento de hiervas invasoras de hojas largas: el Imazaquin (también conocido como Scepter) y el Atrazina, productos que pueden causar cáncer. Parte del agua pulverizada con los herbicidas sobre las plantaciones escurre para los cursos de agua o penetra en el suelo, contaminando las napas freáticas. “El próximo paso es desarrollar una lengua electrónica con sensores específicos para detectar esas sustancias y comparar resultados”, explica Mattoso.

Además de la composición de los polímeros, otro factor determinante para la alta sensibilidad de la lengua electrónica es la manera como se revisten los electrodos. “Cuanto más fina la camada polimérica, más fácilmente es absorbida la bebida, lo que hace que la respuesta eléctrica sea casi que instantánea”, dice el investigador. Para ello, los electrodos son revestidos con películas ultrafinas, los nanofilmes, que tienen el espesor de apenas una capa de moléculas poliméricas (millonésimos de milímetro). Se utilizan dos técnicas. El automontaje se hace en Embrapa, por Antonio Riul Júnior, quien está realizando el posdoctorado, y la deposición, por la técnica Langmuir Blodgett, que consiste en la deposición de la película para revestimiento de los electrodos de oro, en colaboración con el profesor Osvaldo Oliveira, del Instituto de Física de São Carlos de la USP.

Todos los componentes del dispositivo fueron desarrollados en el proyecto. Los microelectrodos son confeccionados en oro en el Laboratorio de Microelectrónica del Departamento de Ingeniería de Sistemas Electrónicos de la Escuela Politécnica de São Paulo, también de la USP, bajo la coordinación del profesor Fernando J. Fonseca. Elsoftware que analiza las señales eléctricas captadas por los sensores está siendo elaborado en alianza con el profesor André Carvalho, del Instituto de Ciencias Matemáticas y Computación de la USP, en São Carlos. El programa se basa en redes neuronales, un sistema que opera de manera semejante al cerebro humano y permite ser “entrenado” para el análisis de diferentes tipos de bebida.

En los últimos seis años, las investigaciones con la lengua electrónica en Embrapa trajeron como resultado la formación de cuatro alumnos de maestría y cinco el doctorado y, actualmente, hay 11 investigaciones en curso. El texto científico fue publicado en la revistaLangmuir , de la Sociedad Americana de Química, en enero, y el asunto ya estuvo presente incluso en el sitio de la revistaNature , también en enero.

Sabores diferentes
“Por parte de las industrias de bebidas, el interés es grande”, afirma Mattoso. En las vinícolas, por ejemplo, el equipo es capaz de determinar, entre vinos de la misma marca, la cosecha de procedencia. Las ventajas son muchas. “La lengua no se cansa, lo que permite monitorear la producción continuamente. También se pueden realizar pruebas de productos que podrían causar riesgos para la salud del degustador, como los remedios.”

Pese de estas ventajas, Mattoso resalta: “La lengua electrónica no fue proyectada para ocupar el lugar del trabajo del experto en degustación, más bien deberá auxiliarlo”. Eso se debe a que, aunque sea capaz de diferenciar vinos, la lengua no consigue saber cuál de ellos le va a agradar más al ser humano. Con respecto al paladar, la lengua humana, por lo menos hasta el momento, es la que da la palabra final.

El Proyecto
Utilización de Medidas Eléctricas de Corriente Alterna para la Caracterización de Sensores Poliméricos de Interés en la Agroindustria
Modalidad
Línea regular de auxilio a la investigación
Coordinador
Luiz Henrique Capparelli Mattoso – Embrapa
Inversión
32.470,12 reales y 31.794,55 dólares

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